Brennstoffzellen, Batterien

Brennstoffzellen und Batterien

Brennstoffzellen und Batterien sind galvanische Zellen, die für die in den Industrieländern stattfindende Energiewende (weg von fossilen, CO2-intensiven und hin zu erneuerbaren Energieträgern) eine große Rolle spielen.

Batterien, insbesondere die wieder aufladbaren Sekundärbatterien (Akkumulatoren), leisten z.B. als Stromspeicher für regenerativ erzeugte Energie bereits heute einen wichtigen Beitrag für die Stabilisierung der Stromnetze oder Versorgung von Haushalten. Auch in der Automobilindustrie wächst der Anteil der emissionsarmen Elektroautos stetig.

Brennstoffzellen sind im Gegensatz zu Batterien Energiewandler, keine Speicher. Sie benötigen einen permanent zugeführten Brennstoff (z.B. Wasserstoff oder Methan), um Strom zu erzeugen. Es entsteht bei der direkten Energieerzeugung kein CO2 und der Vorteil gegenüber Akkumulatoren ist, dass kein Aufladen der Zelle erforderlich ist, solange Brennstoff zur Verfügung steht. Derzeitige Anwendungen von Brennstoffzellen sind Gebäudewärme- bzw. –energieversorgung, Betrieb netzferner Geräte (z.B. Messstationen und der Antrieb sehr großer Fahrzeuge (Schiffe, Züge).

Die Investitionen sowohl in Batterie- als auch Brennstoffzellenentwicklung sind derzeit enorm: bei den Akkumulatoren stehen derzeit vor allem Lebensdauer, Energiedichte und Ladeverhalten im Fokus der Forschung, bei den Brennstoffzellen sind es Effizienz (Katalysatorwirkung) und Wirkungsgrad. Einflussfaktoren sind hier bei beiden Zelltypen insbesondere die Ausgangsmaterialien (Elektrodenkomponenten, Membranmaterialien und Elektrolyte) als auch deren Verarbeitung während des Zellfertigungsprozesses. Exakt hier bieten wir, 3P Instruments, passende, analytische Messmethoden zur Ermittlung wichtiger elektrochemischer und physikalischer Einflussparameter, um Herstellungsprozess und Eigenschaften der finalen galvanischen Zelle zu optimieren.

Schema einer Brennstoffzelle

Analytische 3P Lösungen für Batterieentwicklung

Die Entwicklung von Akkumulatoren mit höherer elektrischer Leistung und Lebensdauer sowie umweltfreundlicherer Produktion und Entsorgung ist eines der Kernthemen der aktuellen Batterieentwicklung. Darüber hinaus geht es um die Senkung der Herstellungskosten, um Endprodukte, z.B. im Automobil- aber auch Haustechniksegment für einen möglichst großen Kundenkreis erschwinglich zu machen. Derzeit gibt es in der Forschung verschiedene Ansätze für die Entwicklung neuartiger Batterien wie All-Solid-State-, Lithium-Luft oder Lithium-Schwefel-Batterien, die aber alle noch nicht serienreif sind. Das aktuell gebräuchlichste System sind die sogenannten Lithium-Ionen-NMC-Batterien (NMC: Nickel-Mangan-Kobalt). Sie werden in Schlüsselbereichen wie tragbaren elektronischen Geräten (Smartphones, Tablets, Notebooks) sowie im gesamten Bereich der E-Mobilität (Elektroautos, Hybridfahrzeuge, elektrische Rollstühle) eingesetzt.

Der Herstellungsprozess eines modernen Lithium-Ionen-Akkumulators ist sehr komplex und umfasst zahlreiche Fertigungsschritte. Grundsätzlich ist der erste Schritt die Fertigung der Anode, Kathode, Separator und Zellgehäuse, der zweite dann die Zellmontage dieser einzelnen Komponenten. Gerade die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und Fertigung der Elektroden und Separators aus diesen sind essentiell für die spätere Qualität und Leistungsfähigkeit der finalen Batterie und hier helfen Ihnen unsere Analysemethoden, Ihre Aufgabenstellung bestmöglich zu lösen.

Charakterisierung der Ausgangsmaterialien

Partikelgröße und –form der Aktivmaterialien: Aktivmaterialien für die Herstellung der Elektroden eines Lithium-Ionen-Akkumulators sind z.B. Graphit, Ruß und Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC). Die Separatoren werden zur Eigenschaftsverbesserung oftmals mit funktionellen Materialien beschichtet, z.B. mit Aluminiumoxid zur Verbesserung der thermischen Stabilität. Derzeit erfolgt der Beschichtungsprozess meist über die Suspensionsroute. Die Partikelmorphologie der Ausgangspulver, also Teilchengrößenverteilung und Partikelform, beeinflusst dabei sowohl die Eigenschaften der Slurries als auch die Qualität und Leistung der fertigen Elektroden- oder Separatorenschicht. Überkörner können die Schicht hinsichtlich ihrer Homogenität (einheitliche Schichtdicke, Anzahl an Defektstellen) verschlechtern, die Ausdehnung der Partikel (eher plättchen- stäbchenförmig oder rund) beeinflussen sowohl die rheologischen Eigenschaften der Suspension und damit deren Verarbeitbarkeit als auch Packungsdichte bzw. Anordnung der Partikel. Genau diese Eigenschaften können mit unseren Geräten der Bettersizer Serie, insbesondere dem Bettersizer S3 Plus durch die einzigartige Kombination aus Laserbeugung und dynamischer Bildanalyse präzise und schnell analysiert werden. Lesen Sie hierzu unsere 3P App-Note 4-04.

Elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten: Flüssige Ausgangsmaterialien sind für den Elektrolyt organische Lösungsmittel wie z.B. Dimethylcarbonat (DMC) oder Ethylmethylcarbonat (EMC), die Anodenpaste ist oftmals wasserbasiert, für den Kathodenslurry wird meist N-Methyl-2-Pyrolidon (NMP) verwendet. Gerade bei den Elektrolyten stören bereits geringe Mengen an Wasser, da dieses das im Lösemittel befindliche Leitsalz zersetzt und die Funktionalität damit stört. Die exakte Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit in organischen Medien ist mit unserem DT-700 im Bereich 10-11 bis 10-4 S/m problemlos möglich, eine Beispielmesskurve zu DMC finden Sie in unserer 3P App-Note 6-01.

Untersuchung der Elektrodenslurries: Für die Herstellung der aktiven Elektroden- oder Separatorschichten werden die funktionalen Teilchen in einem flüssigen Medium mithilfe unterschiedlicher Tools/ Maschinen dispergiert. Hier kommen wässrige, aber auch organische Flüssigkeiten wie insbesondere NMP (N-Methyl-2-Pyrrolidon) zum Einsatz. Gerade bei der Verarbeitung ist es wichtig, dass diese Dispersionen in ihrem ursprünglichen Zustand hinsichtlich ihres Dispersionszustandes (Agglomerationsgrad) und elektrochemischer Eigenschaften wie Zetapotenzial oder elektrischer Leitfähigkeit charakterisiert werden. Nur so kann der Produktionsprozess vollständig verstanden und auch stabil gehalten werden. Darüber hinaus ist es für die Weiterentwicklung und Verbesserung von Batteriezellen wichtig, z.B. ökologisch problematische Komponenten wie das derzeit häufig für die Elektrodenherstellung verwendete NMP zu ersetzen und Alternativen im Hinblick auf den Beschichtungsprozess zu untersuchen. Eine umfassende Charakterisierung solcher Dispersionen hinsichtlich Dispersionszustand sowie der so wichtigen elektrochemischen Eigenschaften im originalkonzentrierten Zustand bietet unser akustisches Spektrometer DT-1202, welches unter anderem die akustische Dämpfungsspektroskopie zur Partikelgrößenbestimmung und Elektroakustik zur Zetapotentialmessung in einem Gerät vereint. Die 3P App-Note 6-01 fasst verschiedene Anwendungsbeispiele des DT-1202 für die Batterieentwicklung zusammen.

Analytische 3P Lösungen für Brennstoffzellenentwicklung

Die wichtigsten Anwendungsbereiche für Brennstoffzellen sind derzeit die Gebäudeenergieversorgung (vor allem Japan) sowie die Stromversorgung netzferner Messstationen oder Elektrogeräte. Ein weiteres Segment mit hohem Zukunftspotential ist der Warentransport über Großtransportmittel wie Schiffe oder Züge, gerade um die hier sehr hohe CO2-Emmission zu reduzieren. Um die Brennstoffzellentechnologie hierfür wettbewerbsfähig zu machen, ist es Ziel der Forschung und Entwicklung, die Produktionskosten – bei gleichzeitig hoher Qualität der Produkte – zu minimieren. Ähnlich wie bei der Elektrodenherstellung der Lithium-Ionen-Batterien spielen bei der Produktion der wichtigen Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (LT-PEMFC) flüssige Suspensionen eine entscheidende Rolle: Das Herzstück der Zelle, die beidseitig mit dem Katalysator beschichtete Membran (CCM), wird über die Suspensionsroute hergestellt. Die in der Zelle aktive CCM ist entscheidend für einen möglichst leistungsstarken Stromerzeugungsprozess und muss möglichst stabil gegen Alterung sein. Die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien und der Suspension sind dabei entscheidende Faktoren für den Qualitätsanspruch und unsere Analysenmethoden helfen Ihnen dabei maßgeblich, diese zu überprüfen und optimieren.

 

Charakterisierung der Ausgangsmaterialien

Partikelgröße der Ausgangspulver der Katalysatortinten: Zur Herstellung der Suspensionen (Katalysatortinten) für die Beschichtung der Membran (Decal) werden sowohl kathoden- als auch anodenseitig platinbeschichtete Kohlenstoffsubstrate (meist Ruß) verwendet. Die Partikelgrößenverteilung dieser Katalysatorpulver bzw. der Agglomerationsgrad ist ein wichtiger Einflussfaktor für die Verarbeitungseigenschaften der Katalysatortinte und der späteren Anoden- bzw. Kathodenschicht. Unsere Geräte der Bettersizer Serie – der Bettersizer S3 Plus oder Bettersizer 2600 – eignen sich hervorragend, mittels Laserbeugung die Teilchengrößenverteilung der mikro- und submikroskalinen Pulver zu messen. Lesen Sie hierzu unsere 3P App-Note 4-04. Für die Teilchengrößenbestimmung der Nanoplatinpartikel als separates Ausgangsmaterial stehen unsere Geräte der BeNano-Serie bereit, die auf der Basis der dynamischen Lichtstreuung (DLS) Nanoteilchen auch in geringer Konzentration charakterisieren können.

Untersuchung flüssiger Suspensionen: Für die Herstellung der Katalysatortinten werden die Aktivpulver mithilfe eines Intensivmischers (Dissolver, Schaufelmischer etc.) in einem flüssigen Medium, meist eine Mischung aus Wasser, einem Alkohol (Methanol, Iso-Propanol) und einem Binder (Ionomer) dispergiert. Entscheidend für die Qualität der späteren Aktivmaterialschicht sind eine gute Durchmischung der Komponenten, keine Agglomeration der Teilchen aber auch spezifische Dispersionseigenschaften wie Viskosität und elektrische Leitfähigkeit. Analog wie bei der Charakterisierung der Batterieslurries eignet sich hier unser akustisches Spektrometer DT-1202 mit der Kombination der akustischen Dämpfungsspektroskopie zur Partikelgrößenbestimmung und Elektroakustik zur Zetapotentialmessung hervorragend für eine umfassende Analyse der originalkonzentrierten Suspension (siehe 3P App-Note 6-01).

Analysemethoden für Brennstoffzellen und Batterien

ANALYSEMETHODEPARAMETERMESSGERÄTE
GasadsorptionBET-Oberfläche und Porenanalyse3P micro Serie
3P meso Serie
3P sync Serie
3P surface DX
QuecksilberporosimetriePorenanalyse (Porenvolumen, Porenverteilung, Rohdichte)Auftragsanalyse
Kapillarfluss-PorometrieAnalyse durchgehender Filter- und MembranporeniPore Porometer
Liquid-Liquid Porometer
Akustische SpektrometriePartikelgröße im Mikro- und Nanometerbereich in konzentrierten DispersionenDT-1202
DT-100
ElektroakustikZetapotentialDT-1202
DT-310
DT-300
Chemisorption / TPXAktive Oberfläche von KatalysatorenAuftragsanalyse
MehrfachlichtstreuungStabilität von DispersionenAuftragsanalyse
DLS – dynamische Lichtstreuung (Photonenkorrelation)Partikelgröße im NanometerbereichBeNano Serie
Laserbeugung (nass oder trocken)Partikelgröße der PulverBettersizer S3 Serie
Bettersizer 2600
Bettersizer ST
BildanalysePartikelformBeVision D2
Bettersizer S3 Plus
GaspyknometrieDichte3P densi Serie
Dynamische Dampfsorption – DVSWasseraufnahme und Wasserabgabe3P graviSorb Serie
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